高应力富水软岩巷道支护技术研究

刘　飞，王　芳，陈征征，马诚超

（1.宿州学院　资源与土木工程学院，安徽　宿州　234000；2.中国矿业大学　深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏　徐州　221008）

高应力富水软岩巷道支护技术研究

刘飞1，2，王芳1，陈征征1，马诚超1

（1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州234000；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008）

随着我国能源需求的增大，煤矿开采逐渐向深部发展，高应力软岩巷道的围岩变形控制问题日益凸显.砂质泥岩等软岩在淋水情况下容易泥化膨胀，引起巷道围岩内部应力分布不均匀，具有明显的流变特性.本文以某矿南翼Y型通风巷道为背景，研究了不同支护方案对深埋软岩巷道的围岩控制效果.结果表明：优化设计后的锚梁网支护能够有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的泥化膨胀，充分发挥围岩自承能力，控制巷道围岩变形在合理范围内.

高应力；富水；软岩巷道；支护优化

对于矿山巷道等工程来说，软岩巷道的支护问题是其历年来的疑难问题所在，而且，在当地下的矿山进入到深部的开采后，对于在复杂的地质环境以及高应力的条件作用之下，巷道的围岩很容易就会出现剪胀以及大变形流变和遇水膨胀等复合型的破坏问题.而其具体的表现是在断面的世量收缩以及片帮和严重底鼓等多种的破坏形式，且围岩一旦被破坏，就会很难进行有效的支护，并且会对于矿山的安全高效的全产等造成很大的威胁.而随着我国能源需求的增大，随着我国煤矿开采深度的增加，煤矿开采将会逐渐的向深部发展，高应力软岩巷道的围岩变形控制问题日益凸显.砂质泥岩等软岩在淋水情况下容易泥化膨胀，引起巷道围岩内部应力分布不均匀，具有明显的流变特性.而探索出正确的软岩巷道围岩的变形破坏以及控制机理等已经成为了一个十分急需解决的重要问题.为此，本文以某矿南翼Y型通风巷道为背景，运用数值模拟的研究方法来系统的分析了高应力的软岩巷道的变形破坏特征以及让压支护的机理，并且还将研究的成果成功的运用到了高应力软岩巷道的支护等的工程实践之中来，以为此研究了不同支护方案对深埋软岩巷道的围岩控制效果等.而其结果表明:优化设计后的锚梁网支护能够有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的泥化膨胀，充分发挥围岩自承能力，控制巷道围岩变形在合理范围内.

1　工程地质条件

某矿南翼Y型通风巷道埋深平均600m，断面尺寸5400*3800mm，巷道岩性主要为砂质泥岩、泥岩、煤线及11-2、9-2、9-1、8、7-2、6-2煤等.根据区域地质资料，设计巷道将要穿过断层及构造较多，断层影响范围内，特别是F93-1断层及F104-1断层组附近煤（岩）层产状变化大，裂隙、滑面发育，断层附近存在相对富水区，巷道过断层施工期间可能会出现淋水或较大涌水现象，主要水害为煤层顶、底板砂岩裂隙水及构造裂隙水.在巷道顶板裂隙发育及断层发育段施工期间出现了淋水或较大涌水现象，巷道掘进期间正常涌水量为3～5m3/h，最大涌水量为40m3/h.我们从深部发生的复合型破坏的高应力软岩巷道极其其所处的高应力环境以及特殊的岩性条件和围岩体层状的构造等多个角度来进行测试分析以及研究，来找到解决这一难题的相关措施以及办法.并经过大量的现场工程地质的调查以及结合的巷道长期的变形监测的结果，来对深部的高应力软岩巷道发生破坏的原因和破坏的类型进行了详细的分析，并且对其深部软岩巷道的底鼓的相关的原因以及机理进行了深入的探讨.

2　初次支护方案

2.1支护方案设计

轨道上山中现有的支护为木棚支护，其基本框式支架的主要功能以及作用都是对巷道围岩施加一定的径向力，来保持岩体的固有强度，以发挥出岩体的自承能力，并以此来控制巷道围岩的变形以及防止岩块的塌落.而框式支架和支架的承载能力十分能有效的发挥，其主要还是要取决于支架的形式和结构及参数、巷道和围岩之间的空隙以及空穴是否能有效的实施壁后充填以及充填的方式与材料.南翼Y型通风巷道岩性主要为砂质泥岩等软弱岩层，巷道围岩原位强度低［1，2］、层理裂隙发育，遇水软化现象明显［3，4］.同时受采动及断层影响，南翼Y型通风巷道矿压显现明显，巷道底鼓严重，顶板下沉，两帮位移较大，不能满足1m皮带安装要求.初次支护采取架棚支护，架棚支护示意图如图1所示.

图1　架棚支护示意图

图4　锚梁网支护示意图

南翼Y型通风巷道初次采取的支护形式为架棚（36U，排距为600mm，规格为5808×4540mm）+喷注浆支护，梁腿搭接长度为500mm，棚腿焊铁鞋，采用U型钢下脚料加工，长度为200mm.

2.2巷道围岩变形规律

南翼Y型通风巷道设计掘进长度为2351m，为了掌握掘进过程中巷道围岩变形情况，采用激光测距仪每隔10m监测巷道顶底相对移近量和两帮相对移近量.掘进至100m长度时，观测发现架棚+喷注浆支护形式下，巷道变形仍然严重.

在架棚+喷注浆支护形式下，掘进后的巷道表面变形较大；与先掘进段对比发现，随着掘进长度的增大，巷道顶底、两帮相对位移量呈减小趋势.南翼Y型通风巷道埋深较深、应力较大，巷道围岩以砂质泥岩等软弱岩层为主，砂质泥岩在淋水情况下容易泥化［5-7］，引起巷道围岩内部应力分布不均匀.同时，砂质泥岩等软弱岩层具有明显的流变特性，架棚+喷注浆支护不能有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的泥化膨胀，没有充分发挥围岩自承能力，导致巷道表面变形较大［8，9］.

3　优化支护方案

我们通过上述分析可知，巷道必须是要采用比支护的阻力更高的支护形式.而我们在掘进的初期就要有效的控制住围岩的裂隙进一步的发育，并且要在围岩的浅部形成具有较高的承载能力的承载结构.并根据该矿地质的采矿条件，来采用高强度的锚网支护，其完全的可以控制住围岩的变形以保证工作面的正常安全开采.

3.1支护方案优化

架棚+喷注浆支护形式下，南翼Y型通风巷道矿压显现明显，U型棚变形严重，为了有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的泥化膨胀，充分发挥围岩自承能力，对架棚+喷注浆支护形式进行改进，顶板破碎带采取外锚内架支护方式.锚梁网支护示意图如图4所示.

锚梁网支护，排距600mm，规格为5808* 4540mm，另加中空锚索、注浆锚杆注浆支护.锚杆间排距850mm*600mm，其中顶部3根配合M5 （L=4600mm）钢带支护.顶部锚索每排5根（3根为注浆锚索，3-3交错布置），间排距1.7*0.6m，其中3根配合M5（L=4600mm）钢带支护，剩余两根为点锚.帮部锚索共两根，沿巷道走向布置，排距1.1m，配合14#槽钢（L=2600mm）支护.喷浆厚度为100mm，喷射砼标号为C20.

3.2优化效果分析

南翼Y型通风巷道掘进100m-200m段时，为了对比采取优化设计方案后掘进巷道围岩变形情况，采用激光测距仪每隔10m监测新掘进百米巷道顶底相对移近量和两帮相对移近量.实测结果显示，采取优化设计方案后，新掘巷道顶底相对移近量最大值小于150mm，两帮相对移近量小于120mm，巷道表面变形较小.说明优化后的锚梁网支护能有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的遇水泥化膨胀，有效发挥围岩自承载能力［10］.

4　结论

随着我国经济的不断发展，我们社会的需求量也在不断的增加，故而，对于能源的物资需求已经成了我们人类生活中不可确实的一部分.高应力的软岩巷道的支护问题乃是一个涉及到全球范围的十分重要的一个问题，砂质泥岩等软岩在淋水情况下容易泥化膨胀，引起巷道围岩内部应力分布不均匀，具有明显的流变特性［11，12］.本文以某矿南翼Y型通风巷道为背景，研究了不同支护方案对深埋软岩巷道的围岩控制效果.结果表明:优化设计后的锚梁网支护能够有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的泥化膨胀，充分发挥围岩自承能力，控制巷道围岩变形在合理范围内.而本文通过以某矿南翼Y型通风的巷道做为背景，研究了不同支护方案对深埋软岩巷道的围岩控制效果.结果表明:优化设计后的锚梁网支护能够有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的泥化膨胀，充分发挥围岩自承能力，控制巷道围岩变形在合理范围内.具体如下:

（1）砂质泥岩等软弱岩层，巷道围岩原位强度低、层理裂隙发育，在淋水情况下容易泥化膨胀，引起巷道围岩内部应力分布不均匀.

（2）与先掘进段对比发现，随着掘进长度的增大，巷道顶底、两帮相对位移量呈减小趋势，说明以砂质泥岩等软弱岩层为主的巷道围岩具有明显的流变特性.

（3）优化设计后的锚梁网支护能够有效粘合围岩内部破碎岩体，抑制砂质泥岩的泥化膨胀，充分发挥围岩自承能力，控制巷道围岩变形在合理范围内.

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TD353

A

1673-260X（2016）07-0007-03

2016-04-22

国家自然科学基金项目资助（51074163）；国家自然科学基金重点项目资助（50834005）